Proposition de Stage de Master 2 Recherche - Fondation Ellen Poidatz

Proposition de Stage de Master 2 Recherche

                         « Rééducation Augmentée de la marche »

Mots clés
Rééducation, réalité augmentée, feedbacks visuels, analyse de mouvement.

Contexte et objectifs
La paralysie cérébrale (PC) est la pathologie neurologique pédiatrique la plus fréquente avec
1,77 cas pour 1000 naissances [1]. Elle entraîne des troubles permanents du développement
du mouvement et de la posture, responsables de limitations d'activité [2]. Parmi les
traitements proposés pour améliorer les capacités motrices à la marche des enfants PC, la
chirurgie multisite des membres inférieurs (multilevel surgery - MLS) a prouvé son efficacité
[3]. Elle est considérée aujourd’hui comme un standard dans la prise en charge des enfants
atteints de PC de type diplégie spastique ou dystonie spastique [4,5]. Cependant, les
résultats sont variables en fonction de l’intervention pratiquée, des caractéristiques initiales
du patient, et du programme de rééducation qui suit la chirurgie. Cette rééducation est
longue (durée moyenne de séjour de 5 mois) et complexe. Elle suit un protocole en trois
phases.
      - Phase 1 (J7 à J30) : cicatrisation, surveillance, postures, mobilisations passives, travail
        musculaire analytique ;
      - Phase 2 (J30 à J60) : remise en charge, adaptation de l’appareillage, début de
        déambulation, intensification de la rééducation analytique et fonctionnelle, début du
        travail musculaire, travail fonctionnel ;
      - Phase 3 (J60 à 5 mois) : intégration sensorimotrice du « nouveau » système musculo-
        squelettique, renforcement musculaire, travail de la marche (qualité, endurance),
        activité sportive, préparation à la réintégration au milieu ordinaire.

Le laboratoire IBISC et la Fondation Poidatz collaborent à un projet de recherche concernant
la phase 3, et plus particulièrement la rééducation à la marche. Celle-ci est conduite par les
kinésithérapeutes qui durant un temps imparti motivent l’enfant et le guident pour améliorer
la « quantité » (endurance et autonomie) et la « qualité » de sa marche (paramètres
cinématiques et dynamiques : vitesse de marche, longueur du pas, changements de direction
et de rythme etc…). Notre objectif est de concevoir un outil complémentaire de cette prise en
charge traditionnelle, qui permette l’augmentation du temps de marche des jeunes patients,
en autonomie (et donc sans coût de personnel), en environnement réel et avec leur
participation active, tout en s’assurant de l’amélioration qualitative de la marche. Nous
pensons qu’une solution de « rééducation augmentée » peut répondre à ce besoin, sous la
forme d’un jeu vidéo en réalité augmentée (cf. Pokemon Go, fig 1) à l’échelle d’un centre de
rééducation. D’abord, les éléments de jeu renforceront la motivation des jeunes patients à
déambuler librement. Ensuite d’autres feedbacks visuels et audio de guidage, couplés à des
mesures de mouvement, seront conçus pour tenter d’améliorer qualitativement les
paramètres de la marche.

                                        Rééducation augmentée / Augmented Rehabilitation          1

Un premier prototype est en cours de développement. L’objectif de ce stage de M2 est de le
compléter et d’étudier la problématique de l’impact des représentations et des feedbacks
virtuels sur la qualité de la marche des patients. Il s’agira notamment d’étudier dans quelle
mesure il est possible de réguler la qualité de marche du patient (vitesse, longueur du pas,
changements de direction et de rythme).

Résultats attendus
- Etat de l’art de la marche en environnement augmenté ;
- Développement de nouvelles fonctionnalités dans notre prototype existant ;
- Conduite d’expérimentations sur l’impact des caractéristiques des objets et feedbacks
  virtuels sur le mouvement de marche ;
- Soumission de publication dans une conférence nationale ou internationale pour présenter
  le travail effectué.

Compétences et qualités requises
Bonne maitrise de la conception/programmation (si possible Unity/C#)
Connaissance de la réalité virtuelle et augmentée
Goût pour la recherche et les échanges pluridisciplinaires (secteur médical, biomécanique…).

Conditions du stage
Le stage se déroulera principalement au laboratoire IBISC à Evry (site Pelvoux). Le travail sera
réalisé avec une équipe pluridisciplinaire incluant des thérapeutes, des spécialistes de la
rééducation et de l’analyse de mouvement et des chercheurs en réalité mixte. Deux
plateformes expérimentales de réalité virtuelle et augmentée et de capture du mouvement
seront mises à disposition.
Durée : 5 ou 6 mois (selon la formation).
Gratification minimale légale.
Projet soutenu par la Région Ile de France (DIM RFSI 2018).

                                      Rééducation augmentée / Augmented Rehabilitation         2

Master 2 Research Internship

                       “Augmented Rehabilitation of Walking”

Keywords
Rehabilitation, augmented reality, visual representations and feedback, motion analysis.

Context and objectives
Cerebral palsy (CP) is the most common pediatric neurological pathology with 1.77 cases per
1000 births [1]. It leads to permanent disturbances in the development of movement and
posture, which are responsible for activity limitations [2]. Among the treatments proposed to
improve children's motor walking skills, multilevel surgery (MLS) has proven its effectiveness
[3]. It is now considered a standard in the care of children with MCS of the spastic diploma
or spastic dystonia type [4,5]. However, the results are variable depending on the procedure
performed, the initial characteristics of the patient, and the rehabilitation program following
the surgery. This rehabilitation is long (average length of stay of 5 months) and complex. It
follows a three-phase protocol.
       - Phase 1 (D7 to D30): healing, monitoring, postures, passive mobilizations, analytical
       muscle work;
       - Phase 2 (D30 to D60): recharging, adaptation of the equipment, beginning of walking,
       intensification of analytical and functional rehabilitation, beginning of muscular work,
       functional work;
       - Phase 3 (60 days to 5 months): sensorimotor integration of the "new" musculoskeletal
       system, muscle strengthening, walking work (quality, endurance), sports activity,
       preparation for reintegration into the mainstream environment.
The IBISC laboratory and the Poidatz Foundation are collaborating on a research project
concerning phase 3, and more specifically gait rehabilitation. This is driven by
physiotherapists who, for a given time, motivate the child and guide him/her to improve the
"quantity" (endurance and autonomy) and "quality" of his/her walking (kinematic and dynamic
parameters: walking speed, step length, changes in direction and rhythm, etc.). Our objective is
to design a complementary tool to this standard treatment, which allows young patients to
increase their walking time, independently (and therefore without staff costs), in a real
environment and with their active participation, while ensuring that the quality of walking
improves. We believe that an "augmented rehabilitation" solution can address this problem,
in the form of an augmented reality video game (see Pokemon Go, fig 1) at the scale of a
rehabilitation centre. First, the gameplay elements will reinforce the motivation of young
patients to walk freely. Then other visual and audio feedback coupled with movement
measurements, will be designed to try to improve the quality of the walking parameters.

A first prototype is being developed. The objective of this M2 internship is to complete it and
study the problem of the impact of virtual representations and feedbacks on the quality of
patients' walking. This will include studying the feasibility of regulating the patient's walking
quality (speed, step length, changes in direction and pace).

                                       Rééducation augmentée / Augmented Rehabilitation        3

Expected results
   -   Conducting a literature review of walking in an augmented environment;
   -   Development of new functionalities in our existing prototype;
   -   Conducting experimental studies (with the help of supervisors) to test the impact of
       the characteristics of virtual objects and feedbacks on walking movement;
   -   Submission of a publication to a national or international conference to present the
       work.

Qualifications
Good design/programming skills (if possible Unity / C #)
Background in AR and HCI
Interest in research and interdisciplinary teamwork (medical sector, biomechanics, etc.).

Working conditions
The internship will take place in the IBISC Lab. The work will be conducted within a
multidisciplinary team including therapists, specialists in rehabilitation and movement analysis
and researchers in mixed reality. Two experimental platforms for VR&AR and motion capture
will be available.
Duration: 5 or 6 months.
Compensation: Minimum legal compensation.
This work is supported by the Paris Ile-de-France Region.

                                      Rééducation augmentée / Augmented Rehabilitation        4

Contact
Merci de faire parvenir candidature, CV et notes de Master 1 ou 2 à
Please send application, CV and Master's grades to

Guillaume BOUYER                    Laboratoire IBISC EA 4526
01 69 47 06 22                      Equipe IRA2
Guillaume.Bouyer@ensiie.fr          Bâtiment Pelvoux 2, IUP
                                    40, Rue du Pelvoux
                                    CE1455 Courcouronnes 91020 EVRY
                                    https://www.ibisc.univ-evry.fr/ira2

References
1. Sellier E, Platt MJ, Andersen GL, Krägeloh-Mann I, De La Cruz J, Cans C, et al. Decreasing
   prevalence in cerebral palsy: a multi-site European population-based study, 1980 to 2003.
   Dev Med Child Neurol. 2016 Jan;58(1):85–92.
2. Rosenbaum P, Paneth N, Leviton A, Goldstein M, Bax M, Damiano D, et al. A report: the
   definition and classification of cerebral palsy April 2006. Dev Med Child Neurol Suppl.
   2007 Feb;109:8–14.
3. Gage JR. Surgical treatment of knee dysfunction in cerebral palsy. Clin Orthop. 1990
   Apr;(253):45–54.
4. Bernard J-C, Morel é., Loustalet é., Bard R, Pujol A, Adelen P, et al. Rééducation après
   chirurgie fonctionnelle multisites de lutte contre la triple flexion chez des enfants IMC
   marchant ou déambulant. Analyse statistique des résultats à court et moyen terme. In: La
   marche de l’infirme moteur cérébral enfant et adulte [Internet]. Paris: Springer-Verlag;
   2005        [cited     2018      Apr       24].    p.     93–133.       Available    from:
   http://link.springer.com/10.1007/2-287-27822-2_7
5. Morrison SA, Lorenz D, Eskay CP, Forrest GF, Basso DM. Longitudinal Recovery and
   Reduced Costs After 120 Sessions of Locomotor Training for Motor Incomplete Spinal
   Cord Injury. Arch Phys Med Rehabil. 2018 Mar;99(3):555–62.

                                     Rééducation augmentée / Augmented Rehabilitation      5

Figure 1 : Pokemon Go                                 Figure 2 : Ingress

Figure 3 : Hololens

                                            Figure 4 : Simulation Hololens

                              Rééducation augmentée / Augmented Rehabilitation            6